传感器检测技术基础

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1、传感器与检测技术 一、 自动检测技术概述 二、 传感器概述 第1章 绪 论(Preface) 一 自动检测技术概述 自动检测技术的重要性 自动检测系统的组成 自动检测技术的发展趋势 1 2 3 1 自动检测技术的重要性 测试手段就是仪器仪表 在工程上所要测量的参数大多数为非电量， 促使人们用电测的方法来研究非电量，即研究用 电测的方法测量非电量的仪器仪表，研究如何能 正确和快速地测得非电量的技术。 非电量电测量技术优点 测量精度高、反应速度快、能自动连续地进 行测量、可以进行遥测、便于自动记录、可以与 计算机联结进行数据处理、可采用微处理器做成 智能仪表、能实现自动检测与转换等。 机械制造业

2、化工行业 烟草行业 环境保护等部门 现代物流行业 科学研究和产品开发中 文物保护领域 综上所述，自动检测技术与我们的生产、生活密切 相关。它是自动化领域的重要组成部分，尤其在自 动控制中，如果对控制参数不能有效准确的检测， 控制就成为无源之水，无本之木。 2 自动检测系统的组成 图1 测量系统的组成 传感器测量电路输出单元 被测量 传感器： 把被测非电量转换成为与之有确定对应关系，且 便于应用的某些物理量（通常为电量）的测量装置。 测量电路： 把传感器输出的变量变换成电压或电流信号，使 之能在输出单元的指示仪上指示或记录仪上记录；或 者能够作为控制系统的检测或反馈信号。 输出单元： 指示仪、记

3、录仪、累加器、报警器、数据处理电 路等。 3 自动检测技术的发展趋势 （1）不断提高仪器的性能、可靠性，扩大应用范围。 （2）开发新型传感器。 （3）开发传感器的新型敏感元件材料和采用新的加 工工艺。 （4）微电子技术、微型计算机技术、现场总线技术与 仪器仪表和传感器的结合，构成新一代智能化测 试系统，使测量精度、自动化水平进一步提高。 （5）研究集成化、多功能和智能化传感器或测试系统 。 传感器的定义和组成 传感器的作用和重要性 1 传感器的分类及要求 传感器开发的新趋势 2 3 4 二 传感器概述 5传感器的一般特性 6传感器的标定和校准 传感器的引入 人通过五官（视、听、嗅、味、触）接受

4、外界的 信息，经过大脑的思维（信息处理），作出相应 的动作。 而用计算机控制的自动化装置来代替人的劳动， 则可以说电子计算机相当于人的大脑（一般俗称 电脑），而传感器则相当于人的五官部分（“电 五官” ）。 身体与机器人的对应关系 传感器是获取自然领域中信 息的主要途径与手段。 第一节 传感器的作用和重要性 传感器的作用是一种功能块，其作用是将来自外界的 各种信号转换成电信号。 （1）信息的收集。科学研究中的计量测试，产品制造与销售中 所需的计量都要有测量而获得准确的定量数据。对于某种特定的 要求，需测量目标物的存在状态，把某状态信息转换为数据。 对系统或装置的运行状态进行检测，也由传感器来实

5、现，发 现异常情况时，发出警告信号并启动保护电路工作。这样可以对 系统或装置进行正常运行与安全管理。判断产品是否合格，或人 体各部位的异常诊断都须由传感器的测量来完成。 （2）信息数据的交换。把以文字、符号、代码、图形等多种形 式记录在纸或胶片上的信号数据转换成计算机、传真机等易处理 的信号数据。或者读出在各种媒体上的信息并进行转换。例如， 磁盘与光盘的信息读出，磁头就是一种传感器。 （3）控制信息的采集。检测控制系统处于某种状态的信息，并 由此控制系统的状态，或者跟踪系统变化的目标值。 传感器的重要性 作为人脑的一种模拟的电子计算机的发展极为迅速，可是起五 种感觉模拟作用的传感器却发展很慢，

6、因而如果不进行传感器 的开发，现在的电子计算机将不能适应实际需要。现代社会要 求传感器、电子计算机和执行器三者都能相互协调才行。 这样，传感器就成了现代科学的中枢神经系统，它日益受到人 们的普遍重视，这已成为现代传感器技术的必然趋势。 传感器的应用（Applications） 1. 工业检测和自动控制系统中应用 对大量信息检测分析处理反馈控制（生产过程、质量等) 2汽车工业 行驶距离、发动机转速、燃料剩余量等参数 (气囊系统、防盗系统、防滑控制系统、防抱死装置、电子变 速装置等） 3家用电器 空调器、电子热水瓶、报警器、洗衣机、电冰箱、安全监视 与报警等. 4 机器人 视觉Trans、触觉、力

7、觉、位置、角度等 5 医疗 温度、血压、血/呼吸信号、心脑电波等 传感器的定义 根据中华人民共和国国家标准（GB7665-87） 传感器（Transducer/Sensor）：能感受规定的 被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号 的器件和装置。 第二节 传感器的定义和组成 包含的概念： 传感器是测量装置，能完成检测任务； 它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学 量、生物量等； 它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处 理、显示等等，这种量可以是气、光、电量，但主要是电 量； 输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。 传感器的组成 敏感元件 直接感受被测量，并输出与被测

8、量成确定关系的物理量 转换元件 敏感元件的输出就是它的输入，抟换成电路参量 转换电路 上述电路参数接入基本转换电路，便可转换成电量输出 敏感 元件 转换 元件 转换 电路 被测量电量 第三节 传感器的分类及要求 一、传感器的分类 传感器种类繁多，目前常用的分类有两种： 以被测量来分 以传感器的原理来分 按被测量来分类 电阻式，光电式（红外式、光导纤维式），电感 式，谐振式，电容式，霍尔式（磁式），阻抗式 （电涡流式），超声式，磁电式，同位素式，热 电式，电化学式，压电式，微波式 按传感器的原理来分类 二、分类目的： 各类传感器的工作原理、主要性能及其特点、应用。 使大家能合理地选择和使用传感器

9、。 使学生了解常用传感器地工程设计方法和掌握常用传 感器地试验研究方法。 了解传感器地发展方向等。 三、传感器的一般要求 足够的容量传感器的工作范围或量程足够大；具 有一定的过载能力。 灵敏度高，精度适当即要求其输出信号与被测信 号成确定的关系（通常为线性），且比值要大；传感 器的静态响应与动态响应的准确度能满足要求。 响应速度快，工作稳定，可靠性好。 使用性和适应性强体积小，重量轻，动作能量小 ，对被测对象的状态影响小；内部噪声小而又不易受 外界干扰的影响；其输出力求采用通用或标准形式， 以便与系统对接。 使用经济成本低，寿命长，且便于使用、维修和 校准。 传感器开发的新趋向包括: 社会对传

10、感器需求的新动向 传感器新技术的发展趋势 第四节 传感器开发的新趋势 一、传感器需求的新动向 社会需求是传感器技术发展的强大动力。随 着现代科学技术，特别是微电子技术和信息产业 的飞速发展，以及“电脑”的普及，传感器在新 的技术革命中的地位和作用将更为突出，一股竞 相开发和应用传感器的热潮已在世界范围内掀起 。 原因: 电五官”落后于“电脑”的现状，已成为微型 计算机进一步开发和应用的一大障碍 许多有竞争力的新产品开发和卓有成效的技术 改造，都离不开传感器 传感器的应用直接带来了明显的经济效益和社 会效益 传感器普及于社会各个领域，将造成良好的销 售前景 二、传感器的应用领域和需求量 三、传感

11、器技术的发展趋势 传感器的开发方向，大致分为如下四个方面： 向检测范围挑战。 集成化，多功能化。 向未开发的领域挑战生物传感器。 智能传感器（Smart sensor） 向检测范围挑战： 传感器的量子化 传感器的极限检测范围大多取 决于量子力学效应。其比较典型的例子是利用核 磁变振吸收的磁传感器以及利用约瑟夫效应的磁 传感器。 集成化，多功能化： 向敏感功能装置发展 传感器的集成化，最近积 极地应用了半导体集成电路技术及其开发思想。 生物传感器： 到目前为止，正大力研究。开发的传感器大多为 物理传感器，今后应积极开发研究化学传感器和 生物传感器。 智能传感器： 具有判断能力、学习能力的传感器

12、智能传 感器大致分为如下三种： 具有判断力的敏感装置 具有学习能力的敏感装置 具有创造能力的敏感装置 从构成上看，智能式传感器是一个典型的以微处 理器为核心的计算机检测系统。 智能式传感器特点： 同一般传感器相比，智能式传感器有以下几个显 著特点： 精度高 稳定、可靠性好 检测与处理方便 功能广 性能价格比高 精度高 ： 由于智能式传感器具有信息处理的功能，因此通 过软件不仅可以修正各种确定性系统误差(如传感 器输入输出的非线性误差、温度误差、零点误差 、正反行程误差等)，而且还可以适当地补偿随机 误差，降低噪声，从而使传感器的精度大大提高 。 稳定、可靠性好： 它具有自诊断、自校准和数据存储

13、功能，对于智 能结构系统还有自适应功能。 检测与处理方便： 它不仅具有一定的可编程自动化能力，可根据检 测对象或条件的改变，方便地改变量程及输出数 据的形式等，而且输出数据可通过串行或并行通 讯线直接送入远地计算机进行处理。 功能广： 不仅可以实现多传感器多参数综合测量，扩大测 量与使用范围，而且可以有多种形式输出(如 RS232串行输出，PIO并行输出，IEEE-488总线输 出以及经D/A转换后的模拟量输出等)。 性能价格比高： 在相同精度条件下，多功能智能式传感器与单一 功能的普通传感器相比，其性能价格比高，尤其 是在采用比较便宜的单片机后更为明显。 计测对象 控制对象 传 感 器 物理

14、量 输 入 接 口 计算机 控制台 输 出 接 口 显示记录 装置 控 制 装 置 输 出 信 号 通用计算机 计算机 图2 测控系统框图 输入接口 (数据采集) 数字数据 特性补偿处理 运算处理 格式化处理组编成适合 控制的数据 记录显示用数据控制用数据 输出接口 (驱动控制装置) 输出接口 (驱动显示记录) 图3 测控系统信号处理流程图 第五节 传感器的一般特性 5.1 传感器的静特性 5.2 传感器的动特性 5.1 传感器的静特性 输出与输入间关系 微分方程微分方程 静特性：输入量为常量，或变化极慢 动特性：输入量随时间较快地变化时 微分方程中的一阶及以上的微分项取为零时， 可得到静特性

15、静特性（动特性的特例） 表示传感器在被测量处于稳定状态时的输出输入关系 希望输出与输入具有确定的对应关系，且呈线性关系 。 静特性指标 一、线性度 二、灵敏度 三、迟滞 四、重复性 五、零点漂移 六、温度漂移 1、线性度 静特性 输 出 量 输 入 量 零点输出 理论灵敏度 非线性项系数 直线拟合线性化 非线性误差或线性度 最大非线性误差 满量程输出 直线拟合线性化 出发点 获得最小的非线性误差 拟合方法拟合方法： 理论拟合； 过零旋转拟合； 端点连线拟合； 端点连线平移拟合； 最小二乘拟合； 最小包容拟合 理论拟合 拟合直线为传感器的理论特性，与实际测试值无关。 方法十分简单，但一般说 较大 x y Lmax 过零旋转拟合 曲线过零的传感器。拟合时，使 x y L2 L1 端点连线拟合 把输出曲线两端点的连线作为拟合直线 x y Lmax 端点连线平移拟合 在端点连线拟合基础上使直线平移，移动距离 为原先的一半 y x Lmax L1 最小二乘拟合 原理原理: : 最小二乘拟合方法 x y=kx+b y 2、灵敏度 传感器输出的变化量与引起该变化量 的输入变化量之比即为其静态灵敏度 表征传感器对输入量变化的反应能力 表征传感器对输入量变化的反应能力 (a) 线性传感器 (b) 非线性传感器 图 1.4.2 传感器的灵敏度 3、迟滞 正（输入量增大）反（输入量减小）行 程中输出